КОМПОНЕНТЫ И РЕШЕНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ РОБОТОВ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ часть 1 (4)

АЛЕКСАНДР БАРСУКОВ
МОСКВА

  1. Встречают по «одёжке» или полиграфия в роботостроении

Осторожно, во дворе собака! Не наступите на неё…

Мировое роботостроение уже достигло такого уровня, когда к роботам стало применительно понятие «товар». Товар – это продукт труда, произведённый для продажи и обладающий потребительской стоимостью. Соответственно, он должен обладать качествами, удовлетворяющими требованиям потребителя. Одно из важнейших потребительских качеств материальной продукции – её цвет. Настолько, что иногда здесь, на первый взгляд, не обходится без крайностей: например, упаковка для напитка «Coca-Cola» должна содержать один и тот же точечный оттенок красного, соответствующий данному цветовому профилю во всех уголках мира. Но расчет здесь точный: заданный цветовой профиль автоматически работает на подсознание потребителя.

Точно так же робот-разведчик: если он, под видом животного, подкрадывается к объекту, то должен быть окрашен именно в такие цвета, какие соответствуют данному животному. Вспомним: «если оно выглядит как кошка и ведёт себя как кошка, то оно и есть кошка». Ни охранник, вооруженный оптическими приборами, ни беспилотный летательный аппарат воздушного прикрытия, барражирующий над объектом, не должны ничего заподозрить. Только тогда этот робот-разведчик является товаром, удовлетворяющим запросам потребителя (в данном случае – службы, осуществляющей разведку). И если, например, в качестве форм-фактора для разведцелей выбран какой-либо из вышерассмотренных многоногих инсектроидов, то он должен иметь корпус, декорированный либо под цвет травы, либо под дорожное покрытие, либо под дно водоёма. То есть, для одного и того же робота должны быть изготовлены сменные кожуха разных камуфляжей. При этом кожух должен быть радиопрозрачным, прочным, лёгким, водостойким и скрывать оптические и другие бликующие поверхности.

Внешнее сходство робота с живым существом – понятие уже не столько техническое, сколько мистическое, послужившее даже основой многих сюжетов художественных произведений. Наиболее адекватным из таких произведений нам кажется к/ф «Дознание пилота Пиркса» (рис. 1.31), где ситуация была настолько критичной, что по ходу действия предпринимались попытки тестирования оболочки на предмет выявления робота, замаскировавшегося под человека.

О том, сможет ли в реальности робот достаточно неотличимо копировать внешность человека мы поговорим в одном из следующих выпусков справочника, а пока подумаем над аналогичной задачей начального уровня: как роботу копировать внешность животного. Как воспримут такую «копию» собратья животного – вопрос спорный, а вот человеку распознать хорошую имитацию будет очень проблематично уже потому, что в повседневной жизни он с животными сталкивается редко, поэтому критериев распознавания в человеческом сознании недостаточно.

Что предлагают современные технологии? Они предлагают для начала сделать выкройку шкуры животного путём бесконтактного лазерного сканирования  (мы детальнее коснёмся данной технологии также в одном из следующих выпусков). Затем эту выкройку, еще до раскроя, необходимо «раскрасить», так, чтобы сохранить рисунок и оттенки. Давайте начнём с этого этапа на примере уже полюбившегося нам всем зверька – крысы.

Возьмите крысу в руки (после того, конечно, как сделаете прививки от всех возможных глистных и инфекционных заболеваний). Те, кто это делал, утверждают, что крыса покрыта шерстью. Возможно, это правда и тогда встаёт вопрос: а как имитировать шерсть?

Шерсть – это волосяной покров шкуры, а из шкур делают ковры. Способы художественной окраски ковров сегодня неплохо отработаны. Например, такой: рисунок наносится на заготовки (маты) стандартных размеров. Заготовка для печати – это белый ворсовый коврик на резиновой или тканевой основе. В основу коврика под давлением впаян акриловый ворс высотой 6-8 см. Рисунок печатается с помощью специального струйного принтера, управляемого компьютером.

О плоттерах. На рис. 1.32 – экосольвентный плоттер RockHopper II с восьмицветной печатающей системой. Ширина печати доходит до 221 см, разрешение – до 1440 dpi. Можно напечатать выкройку для шкуры достаточно крупного животного, но, в принципе, есть плоттеры, у которых ширина печати превышает 3 м. Плоттеры SummaSign режут довольно твёрдые материалы – например, резину толщиной до 1,2 мм, используя тангенциальный нож. В зависимости от обрабатываемого материала толщина резки может быть на порядок больше.

В описываемом примере изготовления ковров размер печати составлял до 150 см в ширину, длина же заготовки может быть любой – на целую стаю крыс. Палитра в данном случае состояла из 16 стандартных цветов. Перед печатью ворс тщательно расчесывали для лучшего проникновения краски в нити. Печатающая головка наносила краску всеми цветами одновременно. Каждый цвет подавался на ворс через четыре форсунки. Краситель под давлением прокрашивал поверхность ворса без касания поверхности коврика какими-либо механическими частями. Следующий этап – фиксация краски путём запаривания. Температура пара – примерно 98°С. После запаривания коврик проходит промывку, которая удаляет оставшийся краситель: этот процесс придаёт ворсу объёмность. Завершающий этап – сушка.

Изготовить цветовой слепок с крысиной и другой звериной или рыбьей шкуры хотя и хлопотно, но можно, имея в распоряжении современные средства сканирования изображений: фото- и видеокамеры, программное обеспечение для «сшивки» изображений и т. д. Чуть более сложно профилировать робота под рельеф местности: для этого надо предварительно осуществить аэросъёмку с беспилотника, который, желательно замаскировать под птицу – например, с махолёта. О возможном качестве такой съёмки можно судить по снимку (рис. 1.33), сделанному камерой дистанционно-пилотируемого вертолёта «Ворон» (см. о нём подробнее в журнале «Радиолюбитель» № 1-2 за 2005 г.), имеющего рабочие габариты в мм: 2020 (длина) × 520 (высота) × 270 (ширина). Максимально возможная масса целевой нагрузки — 18 кг. Потолок висения — 1200 м.

О цветокалибровке. Поскольку струйные плоттеры могут печатать на широком спектре материалов с различным разрешением, важно добиться максимально точной цветопередачи при любой комбинации материалов и разрешения печати. Одно из средств решения этой проблем – спектрофотометр Ete One Pro (рис. 1.34), обеспечивающий построение ICC-профилей, которые используются для обеспечения соответствия цветов в файле и при печати. Технология цветокалибровки предусматривает печать теста для ограничения заливки, чтобы избежать коробления носителя и растекания чернил.

О чернилах для плоттеров. Среди чернил, применяемых для струйной печати, сегодня наиболее известны чернила на водной основе. По стойкости к ультрафиолету различают чернила на основе красителей и пигментные, а по технологии печати — термо и пьезо. Все чернила этой группы являются нестойкими к воде: о влагостойкости изображения можно говорить лишь при использовании носителя с водостойким покрытием.

Красители полностью растворяются органическими веществами. За счет активного светопоглощения эти вещества придают изображению цвет, чем объясняется яркость отпечатков. С другой стороны, неустойчивость к ультрафиолету не позволяет подвергать изображение активному воздействию солнечных лучей.

Использование печатной продукции вне помещений возможно только при печати стойкими к ультрафиолету пигментными чернилами — на носителях с водостойким покрытием (без последующего ламинирования) или с обычным. Во втором случае обязательна двусторонняя ламинация специальными защитными пленками. Срок службы вне помещения и устойчивость к выгоранию зависят от качеств носителя, ламината и способа ламинирования (односторонний или инкапсуляция).

Неорганические пигменты, входящие в состав пигментных чернил, придают цвет за счет поглощения света, но, будучи твердыми, взвешенными в водной среде частицами, они также рассеивают свет. Поэтому напечатанные такими чернилами изображения уступают по яркости тем, которые выполнены с помощью чернил на основе красителей. В то же время новые чернила GO+ позволяют увеличить качество печатной продукции за счет улучшенной цветопередачи. Чернила GO+ (Graphic Outdoor Plus) на основе пигмента предназначены для печати фотореалистичных изображений с длительным сроком службы. Гарантия на изображения, напечатанные этими чернилами на специальных носителях при использовании в атмосферных условиях, составляет до 3 лет. Специально разработанная формула и уменьшенный размер пигментных частиц обеспечивают улучшенное выстреливание чернильной капли.

Важной особенностью пигментов является их высокая устойчивость к солнечному свету. Комбинация «водостойкий носитель — пигментные чернила» плюс ламинирование позволяют использовать изображение на улице до четырех лет.

Сольвентными называются чернила на основе растворителя. В отличие от обычных чернил на водной основе, не требуют применения дополнительных средств защиты изображения при эксплуатации на улице. Характеризуются хорошей цветопередачей и яркостью, быстро высыхают на поверхности любого носителя. Это химические чернила, поэтому при печати контакт чернил с поверхностью носителя происходит на молекулярном уровне, что обеспечивает высокую стойкость изображения к влаге, солнечным лучам, механическим и химическим воздействиям окружающей среды (соль, выхлопные газы и пр.).

Для печати не требуются материалы со специальным покрытием — могут использоваться самоклеящиеся виниловые пленки (от экономичных каландрированных до высококачественных литых), баннерные и тентовые материалы. Наличие покрытия не является помехой для печати качественного изображения.

Чернила с пониженной концентрацией растворителя (поэтому они дешевле сольвентных) называются экосольвентными или лайтсольвентными. Печать следует производить на специальных носителях. Срок службы изображения на улице, без дополнительной защиты — от шести месяцев до трех лет (в зависимости от выбранного типа носителя). Чернила обладают хорошими цветопередачей и яркостью, быстро высыхают на поверхности. Область применения — та же, что и у сольвентных чернил.

О ламинировании. Теперь наша задача защитить краситель от воздействия окружающей среды: механических повреждений, влаги, солнечных лучей и т. д. В полиграфии для этого отработан целый спектр технологий ламинирования, которые помогут защитить практически все виды поверхностей роботов-зверей. Например, если мы делаем робота-дракона, покрытого твёрдыми чешуйными пластинами, можно применить горячее ламинирование, применив Print Guard Floor Guard – ламинат со специальным антискользящим покрытием, стойким к истиранию и царапинам; текстурированная антибликовя поверхность защищает изображение от механических воздействий и обеспечивает его стойкость к ультрафиолетовому излучению. Если предпочтительнее холодное ламинирование, можно применить Print Shield Deep Cristal – «сверхпрозрачную» однородную плёнку с текстурированной полуглянцевой антибликовой поверхностью. Если необходимо полностью изолировать изображение от воздействия внешней среды, применяется инкапсулирование: изображение помещается в середину «сэндвича» из ламинирующих плёнок, которые приклеиваются к носителю, а за его пределами – друг к другу. Как часть этого «сэндвича» используется специальная подложка для придания изображению определённой степени непрозрачности и/или жесткости для предотвращения скручивания. Например, гибкая (позволяющая скручивать изображение в рулон) белая непрозрачная светоблокирующая плёнка-подложка Thermashield White 125.

Существует также ряд технологий для жидкого ламинирования – вплоть до прозрачных чернил, наносимых непосредственно плоттером. Кроме того, жидкостные ламинаторы AquaSEAL наносят жидкий ламинат на широкий спектр носителей – например, при шелкографии.

О разметке и резке покрытия. Для обработки материала создано семейство программный продуктов EnRoute. В частности, пакет EnRoute 3D позволяет создавать управляеющие программы для 3D-гравировки на основе импортируемых файлов, включает 2D-раскрой, проверку рассчитанной траектории, функции сверления.

Прецизионная резка производится каттером. Каттер – это режущий плоттер. Технологическая цепочка предусматривает наличие одного файла, включающего растровое изображение для печати и векторное – для контурной резки отпечатанного изображения. Поскольку печать на плоттере сопровождается нагревом материала, то винил после окончательной сушки может быть деформирован. Функция отслеживания таких деформаций и введение поправок в исходный векторный файл для резки входит в число функций современного режущего плоттера.

Также в число этих функций может входить перфорирование. Пример перфорированного материала – фасадная реклама, сквозь которую обитатели офисов могут смотреть через окно на улицу. В частности, носитель Visionmesh 331 представляет собой сетку с подложкой; печать производится по белой стороне, а внутренняя сторона – черная, что улучшает обзор, создавая эффект «one-way vision». Здесь, конечно, необходимо тестирование, но в принципе, если за таким покрытием (на расстоянии некоторого зазора) установить видеокамеры робота, то, возможно, приборам-обнаружителям оптики труднее будет «засечь» скрытую под перфорацией видеокамеру.

  1. «Искусственный нос»: датчики газов и испарений

Уважаемые пассажиры не волнуйтесь: сейчас пилот закапает себе в нос лекарство, и самолёт опять перевернётся в нормальное положение

Готовые датчики, способные отреагировать, например, на присутствие паров алкоголя в кабине автомобиля (хотя возможно и такое развитие событий: датчики паров алкоголя будут вмонтированы в Механических Псов, и те начнут агрессивную «антиалкогольную кампанию»), предлагаются на российском рынке наряду с рядом других латчиков газа. Конструктивная особенность таких датчиков состоит в том, что их чувствительный элемент изготовлен на основе оксида олова с использованием поверхностных эффектов мелкозернистой структуры. Схема подключения изображена на рис. 1.35. Номенклатура датчиков сведена в табл. 1.4. Технические характеристики:

  • напряжение питания цепи, В – 5 или 15 (серия «2000»), 12 или 24 (серии «2», «8»);
  • напряжение, подаваемое на нагревательный элемент, В – 5;
  • потребляемая мощность чувствительного элемента, мВт, не более – 15;
  • потребляемая мощность нагревательного элемента, мВт – 210-830 (серия «2000»), 640-1000 (серии «2», «8»);
  • ток через нагревательный элемент, мА – 42-203 (серия «2000»), 132-200 (серии «2», «8»);
  • диапазон рабочих температур, °С – от –10 до + 40.

 

Таблица 1.4.

Определяемый газ Содержание газа в окружающей среде, ppm Тип датчика (серии «2», «8») Тип датчика (серия «2000»)
Пропан 500-10000 TGS813 TGS2610
Природный газ (метан) 500-10000 TGS842 TGS2611
Горючая смесь природных газов 500-10000 TGS813 TGS2610
Водород 50-1000 TGS821 TGS2620
СО (угарный газ) 50-1000 TGS203 TGS2442
NH4 (аммиак) 30-300 TGS826
H2S (сероводород) 5-100 TGS825
Алкоголь 50-5000 TGS822/880 TGS2620/2181
СО2 (двуокись углерода) TGS4160
Водяной пар TGS883Т TGS2180

На рис. 1.36a – внешний вид одного из газовых датчиков, принадлежащих еще к одному семейству. Линейка этих датчиков разработана для обнаружения присутствие окиси углерода, газов окиси азота, выделяемых органическими растворителями паров, дыма сигарет и т.д. Все изделия питаются от низковольтного источника напряжения и имеют малый ток утечки (порядка 150-190мА).

На рис. 1.36b — газовый датчик окиси азота: расположение выводов (вид снизу) и принципиальная схема. Это газовый датчик полупроводникового типа предназначен для обнаружения газа окиси азота (NOX). Он очень чувствительно к низким концентрациям NOX, но, в то же время, отстроен от воздействия других газов (например, водорода, окиси углерода и т.д.).

Настроечные значения сопротивления на схеме: 100 кОм — окись азота, 20 кОм – окись углерода. По схеме объединяются между собой контакты 1 и 3, а также контакты 5 и 7. Технические характеристики:

  • рабочее напряжение, В – 5;
  • ток нагревателя, мА — 130-150;
  • напряжение нагревателя, В — 3
  • рабочая температура, °С – от – 10 до + 50.

На рис 1.36c – датчик контроля качества воздуха. Этот газовый датчик полупроводникового типа предназначен, чтобы обнаруживать пары, выделяемые органическими растворителями, дымом сигареты, инсектицидами, жареными пищевыми продуктами и т. д. Реагирует на малые концентрации загрязнений — менее 100 ppm. По схеме объединяются между собой контакты 1 и 3, а также контакты 4 и 6. Технические характеристики:

  • рабочее напряжение, В – 10;
  • напряжение нагревателя, В – 5;
  • ток нагревателя, мА – 160-180;
  • рабочая температура, °С – oт – 10 до + 50.
  1. Технологии электронного слуха

Туристу под видом попугая продали сову. Через полгода приятель спрашивает его:

  • Ну, как твой попугай? Научился говорить?
  • Еще нет. Но ты бы видел, как внимательно он слушает! (рис. 1.37)

Голову совы венчают две покрытые перьями кисточки. Перья напоминают уши, но только напоминают: в действительности ушей не видно. А если бы было видно, многие удивились бы: уши совы не только разные по размеру, они отличаются по форме и расположению на голове. Тем не менее, именно эти уши позволяют ей охотиться в полной темноте, ориентируясь только по звукам: сова способна слышать передвижения мыши на расстоянии 800 м. Правое ухо совы находится ниже и направлено вверх, чтобы она могла слышать звуки сверху. Левое ухо совы находится выше и направлено вниз, чтобы улавливать звуки снизу. Такое расположение ушей помогает сове пеленговать звуки, определяя место расположения источника звука с большой точностью. Это природное явление составляет суть звукового эффекта, известного любителям музыки под названием sorround sound («звук вокруг»). Что же касается вышеупомянутых кисточек, они хотя и не улучшают слух, но указывают, какое у совы настроение, когда они вытянуты, либо приглажены.

Акустическую пеленгацию и локализацию объектов, являющихся источниками звука пытаются осуществлять и мобильные роботы. На рис. 1.38   – один из таких роботов, имеющий два слуховых сенсора (микрофона), обеспечивающих дальность работы 5-10 м, точность акустического пеленга 1-10°, рабочий частотный диапазон 200-2000 Гц.

Обратим внимание на этот, последний параметр – частотный диапазон. Можно привести пример микрофона с аналогичным частотным диапазоном для создания подобных роботов. Это малогабаритный микрофон МКЭ-389-1Р (рис. 1.39), обладающий следующими характеристиками:

  • диапазон рабочих частот, Гц – 150-7000;
  • парафоническая чувствительность на частоте 1000 Гц при напряжении питания 3В, мВ/Па – 5-15;
  • неравномерность частотной характеристики парафонической чувствительности в диапазоне 315-4000 Гц, не более, дБ – 8;
  • коэффициент гармоник на частоте 1000 Гц при звуковом давлении 3 Па, не более – 0,7;
  • размеры, мм – Ø 8,5 × 6,5 (без учета выводов), Ø 8,5 × 12,0 (с выводами);
  • напряжение питания, В – 1,5-6,0;
  • рабочая температура, °С – от –50 до +55;
  • масса, не более, г – 2,0.

Несложная схема звукового реле, с которой может работать подобный микрофон, изображена на рис. 1.40  (схема приведена по книге Окудзава Сейкити «Радиолюбительские конструкции на транзисторах»). На верхней части рисунка находится принципиальная схема, нижняя часть поясняет принцип работы.

В данном устройстве исполнительным элементом является дверной звонок, срабатывающий от голоса. Воспринимаемые микрофоном звуковые колебания усиливаются транзистором Т1 и поступают на транзистор Т2. Поскольку в дежурном режиме напряжение смещения на базу Т2 не подаётся, ток базы в этом режиме через него не проходит. В цепи базы ток начинает идти лишь после того, как к неё будет приложен сигнал звуковой частоты с трансформатора Тр2, напоминающий по форме выпрямленный (или продетектированный) сигнал. Ток в цепи коллектора Т2 имеет ту же форму, что и ток в цепи его базы, но в несколько десятков раз большую амплитуду. Поскольку эмиттер транзистора Т2 соединён с базой транзистора Т3, этот ток проходит также через базу Т3 и усиливается им еще в несколько раз. В цепь коллектора Т3 включено реле, которое срабатывает под действием проходящего через него тока и включает звонок.

Конденсаторы, подключенные между эмиттером и базой транзистора Т3 и параллельно обмотке реле, предназначены для того, чтобы через реле проходил только постоянный ток. Сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора Тр1 должны быть равны, соответственно, 8 Ом и 1 кОм, а трансформатора Тр2, соответственно, 10 кОм и 5 кОм. Транзисторы Т1 и Т2 — типов МП39-МП42. Транзистор Т3 – П214В. Реле имеет сопротивление обмотки 635 Ом и рабочий ток 12 мА.

Если все соединения выполнены правильно, то в ответ на любой произнесённый в микрофон звук реле должно срабатывать и приводить в действие звонок. В режиме разговора миллиамперметр, включенный в разрыв обмотки реле, должен показывать ток не менее 10 мА. Если прибор покажет меньший ток, нужно немного уменьшить сопротивление резистора в цепи коллектора Т2.

Однако нам при конструировании робота-зверя могут понадобиться и другие частотные диапазоны: как для восприятия инфразвука, так и для идентификации птичьего пения. Помните, выше мы рассматривали методики предсказания погоды путём анализа поведения животных, и там значительное место отводилось распознаванию пения птиц – практически, музыке. Такое ПО есть, и мы рассказывали о нём в журнале «Радиолюбитель» № 7-8 за 2004 г. На рис. 1.41 изображен процесс идентификации музыкальных произведений на основе хранящихся в памяти компьютера эталонов (метод сравнения). В данном случае главное, что разработан алгоритм распознавания, а эталоны можно подготовить на очень широкий набор звуков. В том числе, на голос хозяина и членов семьи, чтобы киберпёс отличал их от чужаков.

Что касается инфразвукового диапазона, то работать в нём способен прибор «ШИ-01В» (рис. 1.42). Это универсальный прибор (интегрирующий шумомер – анализатор спектра – виброметр) I класса точности для измерения параметров шума, инфразвука и вибрации. Соответственно, в комплект поставки прибора входят микрофон с предусилителем и вибропреобразователь с адаптером. Технические характеристики прибора в режиме шумомера:

  • диапазон измерений уровней звука, дБ – 20-140;
  • диапазон частот, Гц – 2-20000;
  • частотные характеристики – A, C, Lin;
  • октавный и третьоктавный спектральный анализ;
  • эквивалентный и текущие (F, S, I) уровни звука и звукового давления;
  • максимальные и минимальные значения за время измерения.

В режиме виброметра:

  • диапазон измерений уровней виброускорения, дБ – 70-180;
  • диапазон частот, Гц – 0,8-1400;
  • частотная характеристика – Lin;
  • октавный и третьоктавный спектральный анализ;
  • эквивалентный и текущие уровни виброускорения;
  • корректированные Wh, Wd и Wk уровни;
  • максимальные и минимальные значения за время измерения.
  1. Адаптация зрения к условиям освещенности
  • В замочную скважину смотреть очень некультурно!
  • А показывать в неё всякие гадости?

 

«Зрительные» датчики робота очень критичны к изменениям условий освещенности. О том, как на практике была решена подобная проблема мы узнали из доклада «Создание прецизионных весов с возможностью определения центра масс и системой видеонаблюдения», представленного Физическим факультетом и МЛЦ Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Цель использования видеокамеры в данной работе состояла в нахождении координат положения датчиков усилия для дальнейшего определения центра масс системы грузов на основе данных о нагрузке на каждый датчик. Для этого необходимо распознать на чашке весов три метки, соответствующих установленным под ними датчикам усилия. Сопоставляя найденные координаты с показаниями самих датчиков, можно рассчитать координаты центра масс. Таким образом, камера должна предоставлять изображение, удобное для анализа и вывода результата, что при переводе на объективные характеристики означает низкий уровень шумов и геометрических искажений. Этим требованиям хорошо удовлетворяют камеры с цифровым интерфейсом Fireware (IEEE-1394).

В задаче использована Firewire камера DFK 21F04 производства ImagingSource с объективом Pentax, обеспечивающим низкий уровень геометрических искажений. Её технические характеристики:

  • размер матрицы, дюйм – 1/4;
  • максимальное разрешение – 640 × 480;
  • частота обновления при максимальном разрешении, Гц – 30;
  • тип развертки – прогрессивная;
  • чувствительность при выдержке 1/30 с, лк – 4;
  • разрешение АЦП, бит – 8.

Еще одним достоинством указанной Firewire камеры является возможность программного управления такими её характеристиками, как уровень усиления (gain), яркость(brightness), четкость (sharpness), и многими другими. В обсуждаемой работе реализовано два варианта такого управления. Первый вариант – ручной, в нем экспериментатор сам выставляет необходимые значения указанных выше параметров, руководствуясь получаемой картинкой. Второй вариант – автоматический, он сложнее, но позволяет получить более качественную картинку при динамическом изменении освещенности стенда.

Необходимость введения автоматических настроек показала практика. Проблема заключается в непостоянстве внешнего освещения: настроив камеру один раз и, добившись оптимального распознавания меток и груза, экспериментатор сталкивается с риском, что при изменении уровня освещенности, например появлении на платформе тени от человека, алгоритмы распознавания могут перестать работать. Это вынуждает либо настраивать камеру еще раз, либо использовать автоматическую подстройку.

Предложенный в данной работе алгоритм исходит из анализа гистограммы получаемого изображения. Один раз настроив камеру, экспериментатор, таким образом, калибрует изображение, задавая эталонную гистограмму. Если в дальнейшем условия освещения меняются, меняются параметры гистограммы – среднее значения, стандартное отклонение, границы. Сопоставляя их с эталонными, алгоритм регулирует уровень усиления камеры, а также яркость и четкость, возвращая гистограмму к эталонному виду.

Конечной целью обработки изображения, как уже говорилось выше, является распознавание положения груза и трёх меток датчиков усилия. Предложенная в данной работе последовательность действий включает в себя несколько нетривиальных шагов, улучшающих распознавание. Рассмотрим все шаги по порядку.

Сначала изображение бинаризуется. Далее программа выделяет на изображении круглую платформу весов и в дальнейшем обрабатывает объекты, находящиеся только на этой площади. После фильтрации мелких объектов, являющихся следствием шума камеры или неоднородностей освещения, на изображении останутся только метки датчиков и изображение груза. По их взаимному расположению объекты идентифицируются и измеряются все расстояния между ними.

Все операции с видеокамерой и изображением производились с помощью пакета NI IMAQ с модулем NI IMAQ for Fireware, являющегося дополнением к среде  NI LabVIEW.

Центральную часть программы занимает получаемое с видеокамеры изображение (рис. 1.43). Поверх него рядом с каждым датчиком выводятся показания последнего, выделяется геометрический центр груза, обозначаются расстояния от него до датчиков, а также рассчитанное положение центра масс груза (или системы грузов) с суммарным весом. Существует возможность, в соответствии с написанным выше, при рассмотрении последовательности обработки изображения, включать или выключать обрезание внешней относительно платформы области. Также присутствуют переключатель управления настройками камеры (ручное/автоматическое) и кнопка калибровки, назначающая текущее изображение в качестве эталонного для алгоритма автоматической коррекции параметров видеокамеры.

Окно настройки датчиков позволяет устанавливать их чувствительность, максимально допустимый вес, а также независимо калибровать нулевое положение датчиков, автоматически вводя в последующие вычисления соответствующую поправку.

В окне настройки видеокамеры присутствуют регуляторы ее яркости, четкости и уровня усиления, а также уровней бинаризации. Все вносимые изменения в режиме реального времени влияют на получаемую с камеры картинку. Для удобства в окне также выводится гистограмма изображения.

  1. Серия камер MotionScope для высокоскоростного формирования изображений

Если в кадре орёт кошка, значит, за кадром кто-то дёргает её за хвост

 

Обращали ли вы внимание, в каких позах животные — собаки, лошади, кошки — становятся особенно красивы? В моменты высшей алертности, когда животное высоко приподнимается на передних ногах, настораживает уши, напрягает мускулы. Почему? Потому, что в такие моменты наиболее резко выступают признаки активной жизни тела!

Иван Ефремов, «Лезвие бритвы»

 

Чтобы уловить это мгновение высшей алертности нужна ссверхскоростная видеосъёмка (не говоря уже о других случаях использования киновидеосъёмки, уже упоминавшихся при исследовании представителей животного мира). Система состоит из высокоскоростной камеры, полноразмерной платы РСI для управления камерой и хранения кадров, проводки и программных средств для интерфейса пользователя и системы документирования. На одном персональном компьютере могут работать до четырех систем с камерами MotionScope, давая несколько видов события, происходящего с большой скоростью. Скорость записи колеблется от 60 до 8000 фреймов (кадров) в секунду в зависимости от вида модели. Изображения события, после фиксирования находятся на плате MotionScope РСI в персональном компьютере до тех пор, пока они не будут переведены по шине РСI для индикации (высвечивания на дисплее) и для анализа. Скорости проигрывания могут варьироваться от единичного изображения до 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 30, 60, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 кадров (фреймов) вперед и назад.

В частности, у системы MotionScope РСI 500 скорость регистрации колеблется от 50 до 500 кадров в секунду. Настраиваемый триггер может быть налажен так, что он будет представлять изображения субъекта (объекта) до события и после него. После записи изображения могут быть проиграны при медленном движении с варьируемой скоростью от фиксации одного кадра (шага) до 500 кадров в секунду. Анализ движения представляет собой простое использование промежуточных фото оригиналов (масштабной сетки) для сбора данных об изображениях.

На рис. 1.44 — снимок летящей пули, сделанный с помощью MotionScope.

Добавить комментарий